1、電廠的電壓無功控制策略和實(shí)現(xiàn)方式 邱軍，梁才浩 （華中科技大學(xué)，武漢430074）摘要：闡述了電廠電壓無功控制的手段、目標(biāo)、策略和實(shí)現(xiàn)方式；分析了約束條件；比較了目前幾種主要的電壓無功控制實(shí)現(xiàn)方式。提出了一種新型的具有獨(dú)立輸入系統(tǒng)的電壓無功控制實(shí)現(xiàn)方式，該方式具有很高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：電廠；電壓；無功；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)Strategiesand Implementation Modesof Voltage andReactive Power Controlfor Power PlantQIUJun，LIANGCaihao（College of ElectricalElectroni

2、c Engineering，Huazhong Universityof ScienceTechnology，Wuhan 430074，China）Abstract：The means and objects of voltage and reactive power control for power plant，as well as thestrategies and implementation modes are discussed，and analyses some restricted conditionsSeveral currentvoltagevar controlimplem

3、entation modes are also comparedFurthermore a new voltagevarcontrolmode ofindependented inputsystem is proposedIt is believed it willhave high applied valueKey words：power plant；voltage；reactive power；excitation regulator；computer monitoring system1引言電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，電壓的運(yùn)行水平與無功功率的平衡密切相關(guān)。為了確保系統(tǒng)的運(yùn)行電壓具有正

4、常水平，系統(tǒng)必須擁有足夠的無功電源來滿足系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)對(duì)無功功率的需求以及補(bǔ)償無功功率的損耗。發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)的主要無功電源，因此電廠電壓無功控制已成為保證電壓質(zhì)量和無功平衡，提高電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性必不可少的措施。從控制手段上講，電廠的電壓無功控制主要通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，改變無功功率的分布。從發(fā)電機(jī)無功出力的約束條件上講，主要有5個(gè)方面：（1）各發(fā)電機(jī)組定子繞組容許電流；（2）各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組容許電流；（3）正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端電壓容許的上下限值；（4）機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)靜態(tài)穩(wěn)定性；（5）在線各機(jī)組當(dāng)前允許發(fā)出的無功上下限值。從控制目標(biāo)上講，主要有3個(gè)方面：（1） 維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓或高

5、壓母線電壓為設(shè)定值；（2）最優(yōu)分配受控機(jī)組之間的無功功率；（3）降低廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)功率損耗。目前，我國電廠原有的主要靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的電壓無功控制方法已不能適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，需要有新的控制方法和方式。2電壓無功的控制策略電廠的電壓無功控制通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，改變發(fā)電機(jī)的無功出力，維持電壓穩(wěn)定。基于對(duì)電廠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，國內(nèi)外提出了一些自動(dòng)控制方法，較典型的有以下幾種。21直接給定勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)定值根據(jù)電壓曲線或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)給定勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓設(shè)定值，使機(jī)端電壓維持在設(shè)定值。通過單一的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，檢測發(fā)電機(jī)的實(shí)際端電壓與設(shè)定值偏差，將此偏差信號(hào)輸

6、入發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，控制機(jī)端電壓為設(shè)定值。這種方法接線簡單，操作方便，易行，投資小，但沒有考慮機(jī)組間的協(xié)調(diào)，不能把電站的總無功功率最優(yōu)分配給各運(yùn)行機(jī)組，只能實(shí)現(xiàn)每臺(tái)機(jī)組各自的無功調(diào)節(jié)。控制原理如圖1所示。為了克服這些不足，進(jìn)一步增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，近年來研究開發(fā)了多種勵(lì)磁系統(tǒng)附加控制器，其功能由軟件或硬件（獨(dú)立裝置）實(shí)現(xiàn)，即自動(dòng)電壓控制（AVC）實(shí)現(xiàn)。其中，有高壓側(cè)電壓控制器（HSVC），利用高壓側(cè)電壓作為反饋信號(hào)的電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器（PSVR）等。它們與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器共同控制電廠的電壓無功。本文把勵(lì)磁系統(tǒng)附加控制器統(tǒng)稱為AVC。22高壓母線側(cè)電壓信號(hào)引入控制系統(tǒng)發(fā)電廠與系

7、統(tǒng)的連接點(diǎn)是發(fā)電廠升壓變壓器的高壓側(cè)，無論從技術(shù)還是從商業(yè)的角度上看，都更應(yīng)該關(guān)注發(fā)電廠高壓側(cè)母線的電壓控制（highside voltage control，HSVC）和整個(gè)發(fā)電廠與系統(tǒng)的無功交換1。從技術(shù)角度看，與控制機(jī)端電壓相比，控制發(fā)電廠高壓側(cè)母線的電壓可以更好地控制系統(tǒng)電壓，還可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性2。從商業(yè)角度看，發(fā)輸電分開后，發(fā)電廠與輸電公司成為獨(dú)立的利益主體，輸電公司需要購買發(fā)電廠的無功服務(wù)來滿足系統(tǒng)無功電壓控制的要求，發(fā)電廠高壓側(cè)母線是發(fā)電廠和輸電公司理所當(dāng)然的商業(yè)界面，即責(zé)任和權(quán)利的界面。因此，引入高壓母線電壓信號(hào)對(duì)穩(wěn)定電壓具有一定的意義。221高壓母線電壓控制器（HSVC）H

8、SVC通過對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)加補(bǔ)償控制，可以提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。它能夠控制升壓變壓器高壓側(cè)電壓為設(shè)定值，并且維持高電壓水平。它的實(shí)現(xiàn)不需要從升壓變壓器高壓側(cè)反饋任何信號(hào)，直接利用機(jī)端電壓與高壓側(cè)母線電壓之間的數(shù)學(xué)模型，通過函數(shù)轉(zhuǎn)換把實(shí)際運(yùn)行機(jī)組的機(jī)端電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的實(shí)際母線電壓，然后將其與給定母線電壓的偏差信號(hào)輸入補(bǔ)償控制器中進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證高壓側(cè)母線電壓為設(shè)定值。控制原理圖如圖2示。文獻(xiàn)3介紹了高壓側(cè)電壓控制器的基本原理和特性，分析了它在增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的作用。通過無功電流補(bǔ)償函數(shù)和升壓變壓器分接頭位置變化引起的電壓下降率補(bǔ)償函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)端電壓與母線電壓的函數(shù)轉(zhuǎn)換，為了改善振蕩穩(wěn)定

9、性增加了相位補(bǔ)償函數(shù)校正HSVC控制環(huán)的相應(yīng)特性。222利用高壓側(cè)電壓作為反饋信號(hào)的電壓調(diào)節(jié)器（PSVR）PSVR控制通過檢測高壓側(cè)母線實(shí)際電壓與設(shè)定值的偏差，估算出為消除母線電壓偏差所需注入的總無功功率，通常采用靈敏度法計(jì)算出每條出線負(fù)荷的無功功率對(duì)電壓的靈敏度系數(shù)，再根據(jù)母線電壓的偏差，求出所有負(fù)荷因電壓變化而產(chǎn)生的無功變化量。同時(shí)在線計(jì)算由各種約束條件確定的各臺(tái)發(fā)電機(jī)組的無功功率上、下限值，然后調(diào)節(jié)各臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，將此總無功功率最優(yōu)分配給運(yùn)行的各臺(tái)機(jī)組。它要求在高壓母線電壓變化時(shí)，能迅速調(diào)整各發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，使高壓母線電壓保持在當(dāng)前設(shè)定值，同時(shí)使全站的網(wǎng)絡(luò)有功損耗最小化，并使調(diào)

10、整滿足各類運(yùn)行安全約束條件。AVC控制的實(shí)現(xiàn)功能是隨著電站運(yùn)行方式和運(yùn)行工況的變化，能自動(dòng)平穩(wěn)地維持各段母線電壓的實(shí)際運(yùn)行值為其當(dāng)前設(shè)定值；能夠合理分配受控機(jī)組之間的無功功率，降低廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的功率損耗；根據(jù)各臺(tái)發(fā)電機(jī)的各種約束條件計(jì)算當(dāng)前各機(jī)組允許發(fā)出的無功上、下限值，使分配給各機(jī)組承擔(dān)的無功功率在其上、下限值之內(nèi)。控制原理圖如圖3示。文獻(xiàn)4提出了一種具有自辨識(shí)功能的模糊自動(dòng)電壓控制裝置，用于發(fā)電廠220 kV母線電壓自動(dòng)控制。其控制策略是根據(jù)母線電壓目標(biāo)值求發(fā)電廠總無功功率目標(biāo)值，對(duì)于系統(tǒng)阻抗采用自學(xué)習(xí)方法進(jìn)行辨識(shí)。由于引入了自辨識(shí)技術(shù)和模糊控制技術(shù)，裝置能在按電壓曲線或遠(yuǎn)方指令運(yùn)行的同時(shí)，有

11、效地控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，使發(fā)電機(jī)組工作在額定范圍內(nèi)。23基于模糊控制理論的電壓無功調(diào)節(jié)模糊控制是模擬人的模糊推理和決策過程的一種實(shí)用控制方法。它根據(jù)已知的控制規(guī)則和數(shù)據(jù)，由模糊輸入量推導(dǎo)出模糊控制輸出，主要包括模糊化、模糊推理與模糊判決三部分，善于處理具有不確定和難以用傳統(tǒng)非線性控制理論處理的問題。電壓無功控制受電力系統(tǒng)時(shí)變性、運(yùn)行條件和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)經(jīng)常變化以及在許多條件下無功負(fù)荷不能精確給定，具有很多不確定因素，因此國內(nèi)很多學(xué)者研究電壓無功控制引入了模糊控制理論。文獻(xiàn)5介紹一種用模糊理論進(jìn)行無功控制和提高電壓安全性的方法。節(jié)點(diǎn)電壓的越限以及控制設(shè)備的控制能力用隸屬函數(shù)表示，先用模糊集的最小運(yùn)算

12、得到一個(gè)較為靈活的解空間，然后再用模糊集的最大運(yùn)算得到優(yōu)化方案，最后根據(jù)最優(yōu)解修正控制變量值，直到所有節(jié)點(diǎn)電壓值都達(dá)到理想的水平為止。該文建立一個(gè)簡單而有效的無功控制模型，利用靈敏度系數(shù)矩陣，通過三層模糊最大和模糊最小運(yùn)算，得出最佳無功補(bǔ)償點(diǎn)。這種模糊控制理論在變電站的電壓無功控制中應(yīng)用較多，但至今尚無成熟的適用于我國電廠的電壓無功控制系統(tǒng)。3電壓無功控制（AVC）的實(shí)現(xiàn)方式31電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)軟件AVC很多發(fā)電廠采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)并行運(yùn)行的方式。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）、最優(yōu)控制等功能，并具有完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件配置，其中現(xiàn)地控制單元（LCU）可以實(shí)

13、現(xiàn)對(duì)各生產(chǎn)對(duì)象的監(jiān)控，完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備和系統(tǒng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和處理、閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)、現(xiàn)地操作的人機(jī)接口。也包括對(duì)電壓、無功信號(hào)的采集，因此添加相應(yīng)的電壓無功控制模塊到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件中，對(duì)系統(tǒng)采集到的信息進(jìn)行計(jì)算、分析，輸出控制命令給被控對(duì)象，即可實(shí)現(xiàn)AVC控制的目的。目前國內(nèi)電廠的電壓無功控制大多通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的AVC運(yùn)行軟件實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是AVC運(yùn)行軟件安裝在電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上，成為后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)置投入AVC功能即可工作。AVC根據(jù)預(yù)定的全廠無功功率或高壓母線的電壓給定值，對(duì)系統(tǒng)采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)和主變壓器分接頭調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)組合。這

14、種方法人機(jī)界面友好，參數(shù)設(shè)置簡單，調(diào)試方便，省去了專用硬件設(shè)備，降低了成本。但是AVC實(shí)現(xiàn)功能對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的依賴性很大，可靠性完全取決于網(wǎng)絡(luò)的通信水平、IO單元和后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀況。當(dāng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的某個(gè)進(jìn)程因資源等原因處于等待或休眠狀態(tài)時(shí)，進(jìn)程間數(shù)據(jù)傳遞障礙，畫面數(shù)據(jù)不刷新，若此時(shí)AVC處于遠(yuǎn)方控制，中調(diào)下發(fā)的負(fù)荷值要經(jīng)過一段時(shí)間才被AVC接受，而此時(shí)新的負(fù)荷設(shè)定值已改變，AVC分配的負(fù)荷值不能快速跟蹤中調(diào)下發(fā)值，導(dǎo)致AVC調(diào)節(jié)滯后。文獻(xiàn)6介紹了漫灣水電廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由于采樣回路無法判斷變送器故障，采集錯(cuò)誤值，打破了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，形成無反饋的開環(huán)控制，AGC、AVC程序

15、為維持實(shí)時(shí)控制，拼命將有功、無功功率往上加至設(shè)定值，從而引起發(fā)電機(jī)過負(fù)荷跳閘的情況。烏江渡發(fā)電廠、漫灣發(fā)電廠、棉花灘水電站、映秀灣發(fā)電廠、白山發(fā)電廠、寶鋼電廠、張家口發(fā)電廠等都是采用這種方法實(shí)現(xiàn)電壓無功控制的。32電廠AVC專用的獨(dú)立裝置專門用于實(shí)現(xiàn)電廠AVC功能的獨(dú)立裝置在電力系統(tǒng)中應(yīng)用很少。它作為電廠端設(shè)備，是十分有效的，能使發(fā)電廠的無功出力與母線電壓在保證滿足系統(tǒng)要求的同時(shí)，又能有效地保障發(fā)電機(jī)組自身的安全和運(yùn)行的穩(wěn)定性。調(diào)度端發(fā)出的電壓或無功設(shè)定值通過此裝置分配，執(zhí)行系統(tǒng)指令。這種控制方式不受監(jiān)控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)運(yùn)行情況的影響，不會(huì)因?yàn)橛?jì)算機(jī)運(yùn)行故障影響電壓無功控制，可靠性高；也不會(huì)因計(jì)算

16、機(jī)數(shù)據(jù)傳遞影響控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但增加了硬件的投資和成本。文獻(xiàn)4介紹一種具有自辨識(shí)功能的模糊自動(dòng)電壓無功控制裝置就屬于電廠AVC專用的獨(dú)立裝置。它已經(jīng)在河南新鄉(xiāng)電廠投入使用，效果明顯。33新型AVC控制方式這種控制方式具有獨(dú)立的輸入系統(tǒng)，電壓或無功信號(hào)的采集不通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，而是變送器采樣后直接送入AVC獨(dú)立裝置中，并對(duì)變送器失電或短時(shí)失電故障報(bào)警，以免采集錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。其輸出部分可以基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)裝置，也可以自帶輸出。由于具有獨(dú)立的輸入系統(tǒng)，因此不受系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的影響，增加了可靠性，克服了通信延時(shí)、及時(shí)性不夠的缺點(diǎn)；采樣信號(hào)直接送入AVC獨(dú)立裝置中，不受監(jiān)控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)運(yùn)行情況的影響，

17、又可以大大增加系統(tǒng)可靠性。使其能夠安全、有效、方便、快速地對(duì)電壓無功進(jìn)行控制。這種AVC控制方式既適用于已安裝計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的電廠，也適用于沒有安裝計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的電廠。該方式安全、方便，有很高的實(shí)用價(jià)值。如圖4所示，具有獨(dú)立的輸入和輸出系統(tǒng)，稱為獨(dú)立的AVC控制。如圖5所示，沒有獨(dú)立的輸出，仍然依賴于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)， 稱為半獨(dú)立的AVC控制。4電廠電壓無功控制的技術(shù)關(guān)鍵（1）勵(lì)磁系統(tǒng)附加控制器的完善。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制最重要和基本的手段。勵(lì)磁附加控制器與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器共同作用時(shí)，可以增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。附加控制器的完善，可以更好地實(shí)現(xiàn)電廠的電壓無功控制，快速地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。（2）發(fā)

18、電機(jī)的無功出力極限分析。發(fā)電機(jī)的無功出力是指發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)能吸收的最大無功量，從而降低系統(tǒng)的電壓。大型發(fā)電機(jī)采用進(jìn)相運(yùn)行方式，可以節(jié)省無功和電壓的調(diào)節(jié)設(shè)備，充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)運(yùn)行效能，有較大的經(jīng)濟(jì)意義，使發(fā)電機(jī)不僅承擔(dān)電能生產(chǎn)還能承擔(dān)系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整的任務(wù)。因此，提高發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行能力，合理地讓機(jī)組進(jìn)行深度的電壓調(diào)節(jié)，是發(fā)電廠無功電壓調(diào)整的技術(shù)關(guān)鍵和保證。5結(jié)語目前，國內(nèi)電廠的電壓無功控制大部分是通過軟件AVC實(shí)現(xiàn)的，硬件AVC實(shí)現(xiàn)的很少。不論通過軟件AVC還是硬件AVC實(shí)現(xiàn)，都必須考慮系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性。隨著自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的提高，如何開發(fā)符合國內(nèi)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行水平的無功優(yōu)化AVC軟件，使之達(dá)到全網(wǎng)的最優(yōu)控制是一個(gè)重要的課題，有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn) 1Taylor C WLine drop compensation，hide sidevolt